扁平钢箱梁闭口U形加劲板屈曲特性理论分析

在总结中外学者研究成果和国内外设计规范的基础上,提出了一种计算闭口加劲板稳定承载力的分析理论,该理论计入了材料非线性、几何非线性、初始几何缺陷、焊接残余应力等4种不利影响,讨论了加劲板结构的初始几何缺陷以及残余应力分布模式;结合空间有限元重点分析了U形闭口加劲板的屈曲特性。结果表明,U形闭口加劲板的稳定承载力均较高,材料非线性效应和残余应力对稳定承载能力影响较大,而几何非线性效应和初始缺陷大小对稳定承载能力影响不大。对于目前广泛应用的闭口加劲板结构,横隔板间距在3~4 m之间时,其破坏平均应力与屈服强度之比均能达到0.78以上,较高。所得结论可供钢箱梁设计参考。     

钢箱梁横隔板-U肋交接处割焊残余应力分析

为研究钢箱梁正交异性桥面板横隔板与U肋交接处的残余应力分布规律,采用Abaqus有限元软件模拟横隔板的热切割和焊接过程,分析横隔板与U肋交接处热残余应力的分布特征,探讨切割速度和焊接速度对横隔板弧形切口处残余应力的影响。结果表明:横隔板弧形切口处产生切向残余拉应力,其值超过钢材屈服强度;焊接在横隔板与U肋焊接区局部范围引起沿焊缝方向的残余拉应力,且焊缝尾端的应力集中更为明显;弧形切口残余应力区宽度随切割速度的增加而减小,残余拉应力随焊接速度的增加而增大;选用较快的横隔板切割速度和较慢的焊接速度可减小弧形切口处残余应力分布宽度和应力值。     

公路斜拉桥焊接残余应力的减小与消除的技术策略

以重庆某大桥工程为背景,采用有限元分析软件ANSYS,研究钢箱梁正交异性板单元纵向U型肋板的焊接工艺对大跨度钢箱梁斜拉桥的焊接残余应力的影响。实践证明:需要保证温度场在焊接过程中的合理分布,首条焊缝与焊接温度场分布具有类似性,如果升温,此时将得到焊缝在焊接过程中稳定温度场的最高温度范围1 994～2 008℃,波动范围为0. 71%。焊接等效残余应力主要在焊缝区集中,最大等效应力为439 MPa;在焊接终止点和起始点附近,个别区域仅出现压应力,拉应力未出现。在实际生产中,总共要进行完整板单元的八条焊缝的焊接,所以,此时将会出现更大程度的上翘现象,所以需要结合有效的矫正措施应用在实际生产过程中,确保处理过程的正常推进。     

悬索桥钢箱梁桥面正交异性板局部承压试验与理论分析

正交异性板局部承载力对钢箱梁结构非常关键,我国桥梁设计规范也没有相关规定。以广州珠江黄埔大桥悬索桥钢箱梁局部承压试验为例,介绍了钢箱梁桥面正交异性板局部承压试验的内容、方法和实际加载方案等,通过对实测结果与理论计算值进行对比研究,进而对正交异性板承载力计算理论进行分析。     

正交异性钢桥面肋-板焊接残余应力的数值模拟

由于正交异性钢桥面U肋与顶板焊后残余应力分布复杂,采用解析方法无法求解,为此,采用有限元热-力耦合分析技术对其温度场和应力场进行数值模拟。利用ANSYS有限元软件建立顶板厚16mm、U肋厚8mm的正交异性桥面板双层焊缝模型。引入高温条件下Q345q钢的力学性能参数,考虑焊接电流、电压、焊接速度,对焊接过程进行数值模拟。通过控制热源移动加载,计算出合理的焊接温度场;利用热-力耦合分析技术,调用温度场计算结果,分析得到焊接残余应力场分布。计算结果表明:有限元数值模拟技术可以用于焊接结构残余应力分析;焊缝处不均匀加热与放热导致焊缝中部垂直焊缝方向及沿板厚方向存在较大残余应力,设计时应充分考虑残余应力对结构力学行为的影响。     

考虑热点应力的单索面斜拉桥正交异性钢桥面板疲劳性能研究

正交异性钢桥面板因其抗震性能好、施工进度快等优点在现代大跨径桥梁建设工程中得到广泛应用,但同时又因其复杂的构造和传力路径,使焊接处在往复车辆荷载作用下产生严重的局部应力集中,最终导致疲劳损伤降低使用寿命。广泛存在于焊接结构内部的焊接残余应力在疲劳荷载作用下,会通过降低疲劳强度储备并促进初始裂纹的扩展严重影响结构的疲劳性能,进而降低结构的疲劳寿命,因此在正交异性钢桥面板的疲劳性能研究过程中应充分考虑到焊接残余应力的影响。以南京某单索面斜拉桥为背景工程,运用ANSYS有限元分析软件对该桥进行了多尺度建模分析。通过钢箱梁节段模型分析,分析横纵桥向应力影响范围为横桥向5个U肋×纵桥向2个横隔板间距,并根据规范中的车载疲劳模型Ⅲ确定了在疲劳细节正上方时加载为最不利加载工况。同时应用子模型技术法建立了精细实体模型,讨论了网格尺寸对应力分布与热点应力值的影响。最后得出厚度方向网格层数增至4层时对应的焊趾应力已达到数值收敛,外推区应力差值结果较为稳定,对于Solid95单元模型,厚度方向适合划分4层单元。     

正交异性钢箱梁悬索桥弧形切口优化有限元分析

分析了钢箱梁主梁横隔板弧形切口疲劳开裂的成因,针对短小裂纹和较长裂纹分别提出了弧形切口优化加固方案,降低弧形切口应力幅;对优化加固前后弧形切口进行有限元计算,分析正交异性钢箱梁的应力分布和疲劳特征,进而评价优化加固效果,结果显示弧形切口优化后应力值比优化前明显减少,优化方案对弧形切口的局部受力有较大改善。     

正交异性钢桥面板与U肋焊接处应力分布规律研究

为了分析正交异性桥钢面板中桥面板与U肋焊接部位应力分布规律,以宁波市象山港大桥钢箱梁为研究背景,利用Midas Civil及Midas FEA建立全桥整体及钢箱梁局部节段有限元模型,采用现行《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)中的疲劳荷载车模型,依次计算焊脚处桥面板、U肋的纵横向应力及其应力幅,并与现场实测数据进行比较和分析。分析结果表明:疲劳正应力计算结果满足规范要求;疲劳荷载作用下,焊脚处桥面板、U肋纵向应力的交变循环作用对正交异性钢桥面板的疲劳寿命影响更为显著,而横向应力对焊脚处裂缝的产生及发展有一定影响;局部轮压对桥面板应力的影响较大,应以最不利布置(HX2)进行设计计算。     

钢箱梁正交异性板桥面局部应力影响因素分析

在调查钢箱梁正交异性板桥面结构参数的基础上,确定计算结构。板件厚度选取顶板、纵肋、底板和横隔板,结构尺寸选取主梁高度和横隔板间距作为计算参数,选择固定的受力点和荷载位置,在单一参数变化的情况下,对局部应力进行参数分析,研究各板件厚度和结构尺寸对结构各局部应力的影响。     

基于断裂力学的UHPC加固钢桥面板性能分析

正交异性钢桥面板的板-肋焊接处是车辆荷载下极易开裂的位置,通过UHPC加固可以有效减小钢桥面板的疲劳风险。为了研究UHPC加固钢桥面板的效果,基于线弹性断裂力学展开有限元分析。通过正交异性钢桥面板试验案例作为参考对焊趾处的疲劳性能进行计算,验证了有限元模型的可靠性,通过在焊接细节处插入初始裂纹进行应力强度因子计算分析,考虑不同加载位置以及UHPC层厚度对裂纹尖端的应力强度因子值的影响。研究结果表明：顶板处焊缝位置的热点应力要高于U肋处的焊缝,热点应力受荷载位置影响较为明显;增加UHPC层可有效增加正交异性钢桥面板的刚度,从而减少裂纹尖端的应力集中,增设50 mm厚的UHPC铺装层时,初始裂纹尖端的应力强度因子减小约89%,研究内容可为UHPC加固钢桥面板设计提供参考。     

卢浦大桥系梁设计

上海卢浦大桥为主跨550m的拱梁组合体系中承式系杆拱桥,系梁采用正交异性板全焊接钢箱梁结构。该文着重介绍计算各截面应力时,考虑剪力滞后效应。根据各截面受力特性,按英国规范BS5400计算出各截面的有效分布宽度,得出相应的各阶段应力。同时介绍了大立柱顶特殊节段的设计构造。     

正交异性夹层桥面板力学性能研究

采用模型试验及空间有限元计算分析方法研究聚氨酯-钢板夹层结构正交异性三跨连续桥面板的力学特性,并对比了不同桥面板车轮作用点处,截面受局部应力影响的纵横向应力分布。结果表明：与普通正交异性钢桥面板相比,夹层桥面板能大幅降低局部应力集中,应力峰值约为普通正交异性钢桥面板的1/3～1/2,并可大幅减少焊缝疲劳裂纹的出现;由于夹层板自身刚度大幅提高,能大幅减少纵向加劲肋数量并减少50%以上的焊缝,从而节省钢材,减轻自重;聚氨酯-钢板夹层结构正交异性桥面板的应变试验测试值与有限元计算值基本吻合。     

正交异性钢桥面板裂纹扩展的均质化方法

正交异性钢桥面板往往在焊缝及其附近位置出现过早的疲劳损伤问题。考虑到这一结构形式所含的大量焊接接头,对其中的随机初始裂纹及气孔、夹杂等焊接缺陷对疲劳性能的影响展开研究。首先,利用扩展有限元法在求解几何不连续问题方面的高效性,生成了大量含随机缺陷的代表体积元;而后基于等效裂纹扩展长度准则,对随机缺陷进行了均质化处理,并通过数值算例证明了其在早期裂纹扩展中的适用性。作为重要的多尺度方法之一,该均质化方法可用于计算正交异性钢桥面板焊接接头的裂纹扩展。根据某正交异性钢桥面板的典型车辆荷载的现场实测数据,结合欧洲规范建议的年车流量及轮载横向分布,采用均质化的模型对U肋-顶板焊趾的宏观裂纹形成寿命(初始裂纹扩展至可检测尺度的寿命)进行了计算。结果表明:该方法可有效呈现宏观裂纹形成寿命的概率分布,但在现有假设下,初始裂纹尺度的影响明显高于气孔、夹杂等缺陷;若初始裂纹尺度呈均匀分布,将导致宏观裂纹形成寿命的分布较为离散;所得结果的统计特性依赖于所选择的Paris公式形式及其中的材料常数取值。     

自锚式悬索桥钢箱梁局部稳定研究

该文以三汉矶湘江大桥自锚式悬索桥主梁钢箱梁为研究背景,以人行道桥面开口加劲板件为研究对象,研究不同参数条件下开口加劲板件弹性屈曲荷载的影响,并考虑几何和材料非线性的影响,分析了不同残余应力、不同初始缺陷以及不同宽厚比等因素下开口加劲板件的稳定极限承载力。     

港珠澳大桥钢箱梁制造自动化技术

从钢箱梁U形肋加工、自动组装、自动化焊接、U形肋角焊缝相控阵检测、Mini焊接技术及焊接数据管理6个方面,介绍港珠澳大桥钢箱梁正交异性桥面板单元制造过程中所采用的自动化技术和装备,对正交异性板单元制造先进技术和装备的推广具有借鉴和指导意义。     

开口加劲板稳定极限承载力分析

以开口加劲板为研究对象,计入几何和材料双重非线性的影响,分析了具有初始几何缺陷和残余应力的开口加劲板的稳定极限承载力。     

具有初始缺陷的薄壁高墩稳定性研究

针对有初始缺陷的薄壁高墩大跨径连续刚构桥在施工阶段的稳定性问题展开研究,以沪蓉西高速公路宜恩段野三河大桥为工程背景,采用一致缺陷模态法,以桥墩的一阶屈曲模态为基础,计算分析单肢薄壁高墩分别在具有单向和双向初始几何缺陷时的稳定承载能力,得出初始几何缺陷对高墩稳定性的影响规律,发现纵桥向的初始几何缺陷较横桥向对稳定承载力的影响更大;当引入双向初始几何缺陷时,单肢薄壁高墩的稳定承载力较仅含单向初始几何缺陷时迅速下降。在对含初始几何缺陷薄壁高墩稳定承载力计算结果进行总结的基础上,对山区高墩垂直度控制给出参考建议,研究了局部材料缺陷对高墩稳定性的影响效应,找出局部材料缺陷出现的最不利位置。研究成果可为具有初始缺陷的桥墩稳定性研究提供参考。     

钢桥面横隔板与U肋焊接处残余应力场分析

为了解正交异性钢桥面板横隔板与U肋焊接处残余应力分布特征,明确横隔板弧形切口疲劳开裂机理,采用热-结构耦合方法建立横隔板-U肋焊接连接的热弹塑性有限元模型,通过"生死单元"技术模拟焊缝的填充过程,得到焊接温度场与应力场,分析横隔板焊缝和弧形切口处残余应力的分布规律。结果表明:横隔板焊趾处纵向残余应力为拉应力,峰值为345 MPa,横向残余应力在焊缝开始位置和尾部区域为拉应力,在焊缝中间应力水平较低;横隔板弧形切口附近残余应力变化剧烈,且沿切口弧线长度和钢板厚度分布不均匀;从切口顶点到起弧点位置,残余应力从压应力变化为拉应力,起弧点处应力峰值为231 MPa;焊接引起的焊缝尾部高水平残余应力是导致横隔板弧形切口疲劳开裂的关键因素。     

大跨径斜拉桥钢结构疲劳监测与评估

以某大跨径斜拉桥为研究背景,基于钢箱梁的定期检测结果,研究了该斜拉桥的钢结构疲劳性能。在疲劳开裂较严重的顶板与U肋焊接细节、关键受力部位的底板与U肋焊接细节、索梁锚固区焊接细节布置传感器,测试各主要焊接细节的疲劳应力历程,基于雨流计数法获得疲劳应力谱。分析结果表明:苏通大桥目前的交通流量远大于2010年前的交通流量;钢箱梁底板与U肋焊接细节、索梁锚固区锚固板与外腹板焊接细节的疲劳寿命评估结果大于设计使用年限;若不计焊接初始缺陷与焊接残余应力,顶板与U肋焊接细节不会过早地发生疲劳破坏。     

具有初始缺陷的薄壁高墩稳定性研究

针对有初始缺陷的薄壁高墩大跨径连续刚构桥在施工阶段的稳定性问题展开研究,以沪蓉西高速公路宜恩段野三河大桥为工程背景,采用一致缺陷模态法,以桥墩的一阶屈曲模态为基础,计算分析单肢薄壁高墩分别在具有单向和双向初始几何缺陷时的稳定承载能力,得出初始几何缺陷对高墩稳定性的影响规律,发现纵桥向的初始几何缺陷较横桥向对稳定承载力的影响更大;当引入双向初始几何缺陷时,单肢薄壁高墩的稳定承载力较仅含单向初始几何缺陷时迅速下降.在对含初始几何缺陷薄壁高墩稳定承载力计算结果进行总结的基础上,对山区高墩垂直度控制给出参考建议,研究了局部材料缺陷对高墩稳定性的影响效应,找出局部材料缺陷出现的最不利位置.研究成果可为具有初始缺陷的桥墩稳定性研究提供参考.